通用的微處理哈佛結(jié)構(gòu)和馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的區(qū)別

ID:140343 · 發(fā)表于 2016-9-25 11:14

通用的微處理采用馮.諾依曼結(jié)構(gòu)，即程序指令和數(shù)據(jù)共用一個(gè)存儲(chǔ)空間及單一的地址和數(shù)據(jù)總線。為進(jìn)一步提高運(yùn)算速度，以滿足實(shí)時(shí)信號(hào)處理的要求，當(dāng)前的 DSP 芯片采用
哈佛結(jié)構(gòu)。所謂哈佛結(jié)構(gòu)，是將指令和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間分開。這樣使得處理指令和處理數(shù)據(jù) 可以同時(shí)進(jìn)行，從而大大提高處理效率。

哈佛結(jié)構(gòu)和馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的區(qū)別

哈佛結(jié)構(gòu)

(英語(yǔ)：Harvard architecture)是一種將程序指令儲(chǔ)存和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存分開的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。中央處理器首先到程序指令儲(chǔ)存器中讀取程序指令內(nèi)容，解碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步的操作（通常是執(zhí)行）。程序指令儲(chǔ)存和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存分開，數(shù)據(jù)和指令的儲(chǔ)存可以同時(shí)進(jìn)行，可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位寬度，而數(shù)據(jù)是8位寬度。

與馮.諾曼結(jié)構(gòu)處理器比較，哈佛結(jié)構(gòu)處理器有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：

1、使用兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器模塊，分別存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，每個(gè)存儲(chǔ)模塊都不允許指令和數(shù)據(jù)并存；

2、使用獨(dú)立的兩條總線，分別作為CPU與每個(gè)存儲(chǔ)器之間的專用通信路徑，而這兩條總線之間毫無(wú)關(guān)聯(lián)。

改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：
1、使用兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器模塊，分別存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，每個(gè)存儲(chǔ)模塊都不允許指令和數(shù)據(jù)并存，以便實(shí)現(xiàn)并行處理；
2、具有一條獨(dú)立的地址總線和一條獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線，利用公用地址總線訪問(wèn)兩個(gè)存儲(chǔ)模塊（程序存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊），公用數(shù)據(jù)總線則被用來(lái)完成程序存儲(chǔ)模塊或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸；

哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。其程序指令和數(shù)據(jù)指令分開組織和儲(chǔ)存的，執(zhí)行時(shí)可以預(yù)先讀取下一條指令。目前使用哈佛結(jié)構(gòu)的中央處理器和微控制器有很多，除了上面提到的Microchip公司的PIC系列芯片，還有摩托羅拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安謀公司的ARM9、ARM10和ARM11。

馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)

（von Neumann architecture），也稱普林斯頓結(jié)構(gòu)，是一種將程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合并在一起的電腦設(shè)計(jì)概念結(jié)構(gòu)。本詞描述的是一種實(shí)作通用圖靈機(jī)的計(jì)算裝置，以及一種相對(duì)于平行計(jì)算的序列式結(jié)構(gòu)參考模型（referential model）。

本結(jié)構(gòu)隱約指導(dǎo)了將儲(chǔ)存裝置與中央處理器分開的概念，因此依本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出的計(jì)算機(jī)又稱儲(chǔ)存程式型電腦。

馮.諾曼結(jié)構(gòu)處理器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

必須有一個(gè)存儲(chǔ)器；

必須有一個(gè)控制器；

必須有一個(gè)運(yùn)算器，用于完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算；

必須有輸入和輸出設(shè)備，用于進(jìn)行人機(jī)通信。

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作者：Cascade
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在現(xiàn)實(shí)世界中很少有非常純粹的概念，特別是在實(shí)際的應(yīng)用里。教科書里的大多是理想化的模型，便于掌握某個(gè)概念的重點(diǎn)和本質(zhì)，但實(shí)際中很難達(dá)到這種理想化的狀態(tài)。

哈佛結(jié)構(gòu)和馮諾依曼結(jié)構(gòu)主要區(qū)別在是否區(qū)分指令與數(shù)據(jù)。在教科書里這是兩種截然不同的做法。

實(shí)際上在內(nèi)存里，指令和數(shù)據(jù)是在一起的。而在CPU內(nèi)的緩存中，還是會(huì)區(qū)分指令緩存和數(shù)據(jù)緩存，最終執(zhí)行的時(shí)候，指令和數(shù)據(jù)是從兩個(gè)不同的地方出來(lái)的。你可以理解為在CPU外部，采用的是馮諾依曼模型，而在CPU內(nèi)部用的是哈佛結(jié)構(gòu)。

大部分的DSP都沒(méi)有緩存，因而直接就是哈佛結(jié)構(gòu)。

哈佛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，但效率高。馮諾依曼結(jié)構(gòu)則比較簡(jiǎn)單，但也比較慢。CPU廠商為了提高處理速度，在CPU內(nèi)增加了高速緩存。也基于同樣的目的，區(qū)分了指令緩存和數(shù)據(jù)緩存。有時(shí)為了解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，究竟是什么主義真的沒(méi)那么重要。因而個(gè)人認(rèn)為爭(zhēng)論到底是哪種結(jié)構(gòu)意義不大。

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實(shí)際上，絕大多數(shù)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)使用的是所謂的“Modified Harvard Architecture”，指令和數(shù)據(jù)共享同一個(gè) address space，但緩存是分開的。可以說(shuō)是兩種架構(gòu)的一種折中吧。
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按照吳軍先生這篇文章《
#文明之光#之#發(fā)明365# 第18集馮諾依曼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明
》Sina Visitor System來(lái)看
其實(shí)馮諾依曼的核心思想是指令和數(shù)據(jù)都能從存儲(chǔ)器中讀出…至于是存一塊還是分開，這并不是什么本質(zhì)差別
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因?yàn)?PC 市場(chǎng)已經(jīng)被微軟和 IBM-PC 架構(gòu)壟斷了。

但是，實(shí)際上哈佛結(jié)構(gòu)只不過(guò)是“程序”和“存儲(chǔ)”分離，然而內(nèi)存就那個(gè)樣子，好比你就插了一條內(nèi)存條，怎么實(shí)現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)分開“同時(shí)”讀取呢？cache。現(xiàn)在 intel 的處理器雖說(shuō)是“CISC”但是也應(yīng)用了大量的RISC思想。當(dāng)今的處理器速度已經(jīng)如此高，intel有很長(zhǎng)的流水線，如果指令和數(shù)據(jù)還不分開同時(shí)讀取這會(huì)極大的影響流水線的效率。所以在流水線設(shè)計(jì)中有多個(gè)cache，而數(shù)據(jù)和指令一般會(huì)同時(shí)緩存進(jìn)Cache，這樣在處理器流水線作業(yè)時(shí)其實(shí)也有哈佛結(jié)構(gòu)的影子。

界限我說(shuō)不好是什么樣子，就像RISC 和 CISC 應(yīng)該沒(méi)有一道絕對(duì)的墻把它們區(qū)別開。

參考 intel 處理器體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展。
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存儲(chǔ)的時(shí)候很難分清一段代碼是數(shù)據(jù)還是指令。比如現(xiàn)在python、ruby這種解釋性語(yǔ)言，他們都是用最原始的字符串存儲(chǔ)的。所以實(shí)際上代碼什么的都是被當(dāng)做普通的數(shù)據(jù)存在文件系統(tǒng)里。只有到了執(zhí)行，階段，OS可以明確的知道哪部分是交給CPU去執(zhí)行的指令，哪部分是數(shù)據(jù)，才會(huì)有區(qū)分。這里的區(qū)分主要是cache的區(qū)分，因?yàn)閐ata和instruction的locality不同，所以他們的cache的設(shè)計(jì)有所不同。
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現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都是數(shù)據(jù) cache 跟指令 cache 分開的，而在芯片外是共享內(nèi)存（即使現(xiàn)在的多核芯片現(xiàn)在也在共享內(nèi)存）。
也就是說(shuō)內(nèi)部表現(xiàn)為哈佛結(jié)構(gòu)，外部表現(xiàn)為馮諾以曼結(jié)構(gòu)。

至于為何還在使用這種「馮諾以曼」結(jié)構(gòu)，我覺(jué)得可能因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)在現(xiàn)在大量采用的「虛擬存儲(chǔ)器」技術(shù)下組織起來(lái)更方便吧。

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通用的微處理 哈佛結(jié)構(gòu)和馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的區(qū)別

通用的微處理哈佛結(jié)構(gòu)和馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的區(qū)別